工程地质三维空间建模技术及应用实践探究

张汉儒

（大理禹光工程监理咨询有限公司云南 大理 671000）

工程地质三维空间建模技术及应用实践探究

张汉儒

（大理禹光工程监理咨询有限公司云南 大理 671000）

随着科学技术水平的不断提高，地质勘察技术不断完善，提高了勘察效率，为工业生产提供了有利条件。本文首先对三维地质建模进行概述，并在此基础上对三维地质建模技术在地质开发工作中的具体应用进行研究。

三维地质建模技术；地质构造；应用

1 引言

三维地质建模技术的主要功能体现在可以对地质勘察信息进行集成树立，保证信息数据的一致性。地质构造要素的表达必须具有三维立体性与直观性，地质构造中的断层在三维环境下既可以表达成一个平面，也可以较好的反映出地层和断层、断层之间的切割关系，进而弥补剖面图中的不足。地质勘探工作研究对象在空间分布方面是三维的，要勘探地质情况，必须运用各种勘探方法，深入调查矿床储存条件和三维地质条件、工程地质条件及开采技术条件。地质勘探工作的实质就是构建勘探区的三维地质模型。

2 工程地质三维空间建模技术概述

所谓的工程地质三维空间建模技术指利用适当的数据结构在计算机中建立起一个能够真实反映地质构造的形态和各个要素之间关联和地质体空间物性的具体分布等多种地质特征的几何模型。三维地质建模可以划分为多个类型，其重点在于反馈出地质体表面形态的表面建模，可以反映地质体内部的变化规律的实体建模；依据建模对象的不同，其空间尺度会有所不同，需要针对矿区整体建模的宏观建模以及对于岩石和化石建模的微观建模；根据规定时间的静态建模以及较适用于地下水流动模拟的动态建模；可以促进地质界面以及地质体空间形态的拓扑差异建模，也可以对体元进行插值模拟，也支持空间分析的拓扑一致建模；对于单独地质体建模的单个建模以及对于多个地质体进行建模的多体建模；对于分层较为明显的地质体的单值建模和对于倒转褶皱地质形态的多值建模。

3 实例三维地质建模的主要工作程序

3.1 工程概述

某矿区表现为外带石英脉型黑钨矿化，以主产易采易选的黑钨矿闻名，按脉组的空间展布位置，矿体工业类型属黑钨矿-石英大脉型。矿区地理坐标：东经114°12′45″～114°14′56″，北纬25°37′45″～25°40′00，面积15．212km2。该矿属九龙脑成矿岩体北部的中远接触带。

3.2 地质建模数据源

在矿区勘探中，会产生大量的数据信息，例如地面采样资料、航天遥感信息、航空遥感资料、地震剖面图和钻孔资料信息等基础数据资料。因此，煤田地质勘探的原始数据需要进行分类管理。因为数据信息量较大，三维空间分布较为复杂，所以应用三维地理信息系统管理的效果最佳。需要对煤田构造进行深入研究，对勘探区域以及钻孔内部的岩层以及煤层进行详细比对，对地形面、断层面和地层界面等地质曲面的分布形态以及分布规律等进行探析。三维地质建模信息中最为重要的就是钻孔的相关数据，通过取芯和测井等就能够获取钻孔经过的煤层以及岩层中的采样位子、实物采样煤层的相关特征。地震勘探是地质建模中的核心数据，尤其是高分辨率的地震看眼可以大幅度提高煤田构造的准确性。地震剖面方面、地震勘探的同相轴连线也可以作为岩煤层界面以及剖面之间的交接线，同相轴振幅和波形都可以客观反映出界面两侧物性存在的差异，钻探信息也可以转化为勘探线剖面图和地震剖面图使用，通过不断纠正之后都可以作为地质建模的核心数据源。数据整理时每个常用表设置字段名称、顺序，对应关系遵循如图1所示。

图1 钻孔基本表字段与钻孔数据库对应关系图

根据建立的数据库进行钻孔三维可视化显示（如图2所示），根据显示结果可以直观地了解钻孔轨迹、方位及品位值，推算矿体分布规律，提高勘探效果和质量，节省成本和节约时间，同时为进一步的地质建模研究奠定基础。

图2 钻孔基本表字段与钻孔数据库对应关系图

3.3 三维模型构建

3.3.1 地表模型

三维地表模型能够完整准确地表达出地质构造的边界现象以及与其他空间体的三维位置关系，最大限度地增强地质分析的直观性和准确性，是三维矿山模型建模不可缺少的一部分。在构建该矿区地表模型时，本研究采用了矿区1：5000Mapgis格式的实测地形图，经过以下步骤处理：①首先在MapGIS中进行预处理：a.连接线，清理线出现的重复点、跨接和聚结点；b.选取等高线并将等高线赋予高程值；c.将地形图比例尺变换形成符合Surpac要求的1：1000，并根据图面坐标和实际坐标计算差值，将地形图移动到实际位置，输出*.dxf格式文件；②将文件导入CAD进行再次编辑：a.将无关的图层或信息删除；b.修改线性，连接遗漏的断线、赋予未赋予高程值的等高线；③最后导入Surpac保存*.str线文件，并生成数字高程模型（DEM），完成地表模型的构建。

3.3.2 矿体模型

矿体模型的建立不仅能准确地描述矿体的几何空间赋存形态，还可用于体积计算、剖面图绘制、隐伏矿体预测。矿体建模一般基于以下三种方法：①利用矿体边界线大概确定矿体范围；②基于勘探线剖面图的矿体模型构建；③基于钻孔数据的矿体模型构建。通常应根据建模目的来选择合适的方法，但要准确反映实际矿体形态，往往需要综合采用多种方法。本研究以矿体边界为主导，结合勘探线剖面图，构建矿区矿体模型。具体步骤如下：①根据该坑钨矿中段9张地质编录图和16张勘探线剖面图，经过Mapgis比例尺变换、坐标转换、矿体图层更换、矿体边界提取；②将提取出的矿体数据转换成CAD支持的*.dxf格式文件；③在CAD中对矿体边界数据进行编辑，如删除重复点、删除聚结点、连接闭合断线、修改线性以及赋予相应高程值等；④将矿体边界数据保存*.str线文件后，生成矿体模型；⑤对生成的模型验证和修正，得到最终的矿体模型，如图3所示。

3.3.3 断层模型

褶皱断裂构造是成矿的主要控制因素之一，断层模型可直观准确地展现地下断层构造的形态、分布特征等空间位置关系，对区域的成矿因素推测、矿体分布预测以及对地质工作经验积累有重要帮助。应用该矿区17张勘探线剖面图和9个纵段原始地质编录图中断层数据，经过进一步处理，构建了该矿区断层模型，展现了矿区断层与矿体的位置关系。

图3 矿体模型

3.3.4 建模操作问题讨论

在构建该矿区地质模型过程中，遇到了多个操作问题，现列举4个实际问题及应用的处理方法。①在CAD合并断线时出现线不能合并的问题。经过多次实际操作要解决此问题要注意或解决以下三个方面：a.标高：在右击属性里，要合并的不同线段“标高”要一致，否则无法合并；b.厚度：同样是右击属性里线段的“厚度”要一致；c.重叠线：当不同线段的“标高”、“厚度”都一致但还是不能合并线段这时就要注意是不是有重叠的线，删除重叠的线就可以合并了。②用Surpac软件进行数据操作编辑时，需要在主图层（maingraphicslayer）下。按下“Ctrl”直接拖拽文件到软件图形工作区，文件自动进入主图层，实现快速便捷操作的目的。③在建立矿体模型和地层模型时应用到勘探线剖面图，由于剖面图是在平面坐标系下绘制的，在操作应用时要进行剖面转换，即原二维坐标下的Y坐标值赋值到Surpac三维坐标系下的Z坐标值上。在编辑—线串—运算输入公式（如图）实现了剖面图转换。由于实际剖面图的剖切方位的不同，可能需要进行第二次运算或旋转，在该矿区剖面转换操作过程中进行了y=-x，-x=y的第二次运算。④在实体模型创建三角网时，可能会出现“点位移距离小于0．05，不能创建三角面”的提示，此问题最简便快捷地解决方式是将线文件进行“光滑”、“标准化分割”处理，将“标准化分割”处理的数值根据建模的精度和建模的要求调节成大于0．05的数值。

4 结束语

综上所述，在应用三维地质建模技术时，需要技术人员具备较高的专业素质，对地质信息做出准确判断和详细处理，在三维地质建模技术的支持下更好的分析、表达和理解各种复杂的地质构造现象，并制作求交、虚拟切割等具有精准要求的图形或计算，使地质工程师将更多的精力与时间置于地质构造规律的研究工作中。

[1]田小甫，张硕，陈军，等.三维建模技术在区域工程地质勘查中的应用研究[J].城市地质，2012，7（1）：20～25.

[2]田小甫，张硕，贾雷，等.三维地质建模技术在北京地铁建设工程中的应用研究——以车公庄西站为例[J].科学技术与工程，2012，12（25）：6362～6368.

[3]何双凤，于群，韩冬冰，等.有关GMS支持下城市地下空间三维工程地质地层建模的研究[J].吉林地质，2013，32（1）：146～147.

P642

A

1004-7344（2016）16-0137-02

2016-5-21

张汉儒（1965-），男，白族，云南大理人，高级工程师，本科，主要从事工程地质与水文地质专业技术工作。